đề tài kết cấu thép bản

ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP BẢN- Kết cấu thép bản KCTB là những kết cấu làm bằng các bản thép, liên kết với nhau tạo thành các bể dùng để chứa, vận chuyển hoặc gia công chất lỏng, chất khí

BÀI TIỂU LUẬN MÔN CHUYÊN ĐỀ KẾT CẤU THÉP

ĐỀ TÀI: KẾT CẤU THÉP BẢN

NỘI DUNG:

I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KẾT CẤU THÉP BẢN

II TÍNH TOÁN VÕ MÕNG TRÒN XOAY

III BỂ CHỨA CHẤT LỎNG

IV CÁC LOẠI BỂ CHỨA ĐẶC BIỆT

V BỂ CHỨA KHÍ

VI BUNKE VÀ XILÔ

VII ƯU NHƯỢC ĐIỂM KẾT CẤU THÉP BẢN

I ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP BẢN

- Kết cấu thép bản (KCTB) là những kết cấu làm bằng các bản thép, liên kết với nhau

tạo thành các bể dùng để chứa, vận chuyển hoặc gia công chất lỏng, chất khí hoặc vậtliệu rời, hạt

- Phân loại theo hình dạng

+ Bể chứa hình trụ đứng, hình trụ nằm, hình cầu, hình giọt nước

- Theo vị trí: Trên mặt đất, dưới mặt đất hoặc ½ ngầm.

- Theo áp lực dư: Bể chứa áp lực thấp pd<0.02 KG/cm2

- Áp lực cao pd> 0.02 KG/cm2

Đặc điểm làm việc kết cấu thép bản:

- Có thể đặt dưới, trên hoặc nửa âm trên mặt đất Chịu áp lực bên trong hoặc chân

không, chịu ăn mòn của sản phẩm, chịu tải trọng tĩnh (chất lỏng) hoặc tải trọng động(vật liệu rời) Cần có tính kín cao, chống thấm tốt Thường xuyên làm việc ở trạng thái

ứng suất lớn gần tối đa → theo điều kiện bền nên giảm hệ số điều kiện làm việc,lấy hệ số đklv = 0.8

Vật liệu sử dụng:

- Khi chiều dày thép bản t < 4mm dùng thép cán nguội dạng cuộn.

- Khi chiều dày thép bản t ≥ 4mm dùng thép cán nóng dạng cuộn.

- Thép bản dùng cho kết cấu chuyên dụng, đặc biệt dùng thép hợp kim

- Ống dẫn nước chính, bể chứa chuyên dụng, vỏ lò luyện kim, vỏ lò đốt nóng khí có quy

định dùng thép riêng

- Bể chứa các chất lỏng ăn mòn được làm bằng hợp kim nhôm hoặc mặt ngoài bằng thép

thường, mặt trong phủ kim loại không gỉ

 Ứng dụng

- Dùng chứa các sản phẩm : xăng, dầu, khí hóa lỏng, nước, axit, cồn công nghiệp…

- Phân loại theo hình dạng : bể chứa hình trụ đứng, hình trụ nằm, hình cầu, hình giọt nước

- Theo vị trí : Trên mặt đất, dưới mặt đất hoặc nửa ngầm

- Theo áp lực dư : Bể chứa áp lực thấp pd< 0.02 kG/cm2; áp lực cao pd> 0.02 kG/cm2

II KẾT CẤU VỎ MỎNG TRÒN XOAY

Định nghĩa

- Vỏ mỏng tròn xoay có một trục đối xứng và hai bán kính cong

Cơ chế hình thành.

- Trục

- Vỏ phi mô men: Vỏ phải mỏng, t / R < 1 / 30.

a Tính toán vỏ mỏng tròn xoay theo lý thuyết phi mô men.

- Mục tiêu: xác định σ1 và σ2.

pr rt

r p

r p t

r

pA ut

F X

2sin

2sin2

0sin

2

0sin

0

2 2

1

2 1

π

πσ

πϕσπ

ϕσ

Hoặc

2

2

1R t

p =σ

- Để xác định σ2, ta phải trích một phần tử có kích cỡ dS1 dS2 để xem xét

Chiếu hệ lực lên phương pháp tuyến

- Từ đó ta xác định được mối quan hệ giữa p với σ1 và σ2 (phương trìnhLaplace):

2

2 1

1

R R t

2 1

1 2

1 2

1

1 2

2

2

R R

R R R

R R t p

σ

σσσ

- Vỏ nón, R1 = ∞:

β

σβ

σ

cos

;cos

1

t

pr t

=

ri – Bán kính mặt cắt ngang

β - Góc của đường sinh với trục quay

b Tính theo lý thuyết mômen

1 2 1

2

2 1 2 1

1 2 1

1 2 2

1

1 2 2

1

1 2 2

1 2 1

2

2 2 2

2 sin 2

2 sin 2

R R dS tdS

R

dS tdS R

dS tdS

d tdS d

tdS

d tdS

d tdS

d tdS

d tdS dS

pdS

σσ

σσ

ασ

ϕσ

ασ

ϕσ

ασ

ϕσ

- Khi ngoài các lực pháp tuyến N1, N2, các lực trượt S1, S2, sự cân bằng của vỏ được xácđịnh theo các mômen uốn M1, M2 mo6men xoắn M12, M21 và các lực cắt Q1, Q2.

+ Bể nửa nổi nửa chìm

3. Theo dung tích chứa được.

+ Bể có thể tích không đổi

4 Phân theo áp lực dư.

+ Bể chứa áp lực thấp (Áp lực dư pd ≤ 0,002MPa hoặc áp lực chân không p0 ≤0,00025MPa).

+ Bể chứa áp lực cao (pd > 0,002MPa)

5 Lựa chọn bể.

+ Bể trụ chế tạo đơn giản, nên hay dùng nhất

+ Bể trụ đứng mái tĩnh dùng khi vòng quay sản phẩm ít (10 ~ 12 lần / năm)

+ Bể có phao hoặc mái nổi dùng khi vòng quay sản phẩm lớn

Bể chứa trụ đứng áp lực thấp.

1 Cấu tạo.

- Bể trụ đứng mái tĩnh dùng để chứa sản phẩm dầu mỏ có hơi đàn hồi áp lực thấp.

- Thể tích thay đổi lớn (100 ~ 50000m3)

- Để tạo nên bể cần có: Thân bể, đáy bể, mái bể; Đệm cát đáy bể, lớp cách nước; Ống

nạp, xả chất lỏng, lỗ nhìn, van an toàn, lan can, cầu thang

- Cấu tạo đáy bể.

+ Lấy theo cấu tạo khi hàn và chống ăn mòn

+ Chiều dày nhỏ nhất tmin:

tmin = 4mm (khi V ≤ 1000m3)

tmin = 5mm (khi V > 1000m3)

tmin = 6mm (khi Dđáy > 25m)

 Chia tấm đáy bể.

Nguyên tắc:

- Chia thành từng dải, các dải được cuộn lại tại nhà máy, vận chuyển đến công trường,

trải ra và được hàn ráp nối

- Bề rộng dải lấy theo mô đun của thép tấm.

- Mỗi dải lại được nối bằng nhiều tấm thép đơn, có chiều dài theo mô đun thép tấm.

Các tấm phải được hàn đối đầu

- Các dải được hàn nối tại công trường nên dùng đường hàn đối đầu Các dải chờm lên

nhau từ 30 ~ 60mm

- Chú ý trình tự hàn.

- Vành biên đáy bể cần chuyển liên kết hàn chồng thành đối đầu để thân bể áp sát được

vào toàn bộ đáy bể

 Đường kính đáy bể: Đường kính đáy bể lớn hơn đường kính

thân bể khoảng 100mm

Nguyên tắc:

- Chia thân bể thành các dải nằm ngang, các dải nên được cuộn trước ở nhà máy Khi

chiều dày dải lớn hơn 17mm, không cuộn được, thì mới phải để nguyên tấm mang đếncông trường hàn nối

- Chiều dày tối thiểu của thân bể tmin = 4mm

- Chủ yếu hàn ngoài bể Hàn trong bể chỉ mang tính chất định vị thi công (dài 100mm,

cách nhau 300mm)

- Có thể gia cường thân bể bằng thép sợi cường độ cao, băng thép hoặc bể 2 lớp.

- Gồm: Mái nón, mái treo, mái cầu, mái trụ cầu.

Mái nón: V ≤ 5000m3

- Độ dốc i = 1/20.

- Cột trung tâm bằng thép ống hoặc thép góc.

- Chia thành nhiều tấm mái, mỗi tấm mái gồm sườn bằng thép I hoặc C, và bản thép

dày 2,5 ~ 3 mm

Mái treo: V ≤ 5000m3

- Không có sườn.

- Mái treo chỉ chịu kéo, không mô men.

- Tấm biên mỏng hơn tấm giữa.

- Kinh tế hơn mái nón 10 ~ 15%.

Mái cầu: V > 5000m3 hoặc áp lực dư lớn

- Kết cấu cu pôn sườn vòng

Mái trụ cầu: Áp lực dư lớn.

- Phần trên thân bể, cách đáy 300 trở lên, không có mô men.

- Để xác định σ1, ta cắt vỏ theo phương mặt phẳng vuông góc với trục (trên biên của

mặt cắt, σ1 là không đổi) Áp lực chất lỏng vuông góc với thành bể, không ảnh hưởngtới ứng suất σ1 trong thân

- Áp lực tính toán ở độ sâu cách mặt thoáng chất lỏng một đoạn x là:

d cl

- Trong đó:

γ1, γ2 - Hệ số độ tin cậy của áp lực thủy tĩnh và áp lực dư γ1 = 1,1; γ2 = 1,2

γcl - Trọng lượng riêng chất lỏng trong bể, với xăng dầu γcl = 9 kN/m3

- Cắt hình tròn dày d rất mỏng tại vị trí x, sau đó cắt nửa hình tròn, xét cân bằng trong

mặt phẳng, ta có:

- Nơi yếu nhất trên vành chính là đường hàn đối đầu tấm, kiểm tra như sau:

γc - Hệ số điều kiện làm việc, lấy bằng 0,8

- Phần đáy bể có mô men uốn cục bộ:

x d

x d

x d

x d

X

g t

r p rt

G r p

G r p t

r

G A p ut

−

=+

−

=

∑

22

02

00

2

2 2

1

2 2

1

2 1

γπ

πγσ

πγσπ

γσ

t

r p td rdp

rdp td

x x

02

2

2

2

σσ

wt c

x wt

c

x

f

r p t f t

r p

γγ

 Mô men uốn cục bộ lớn nhất (N.mm/mm) khi coi liên kết giữa

thân với đáy là:

σ = 1 +62 ≤

σ1d - Ứng suất σ1 tại chân thành bể

γc = 1,6 kể đến biến dạng dẻo

- Các tải trọng gây ra ứng suất σ1

- Trọng lượng của mái và các thiết bị đặt trên mái Gm

- Trọng lượng lớp cách nhiệt trên mái Gcn

- Áp lực chân không P0 = p0γ0

p0 - Áp lực chân không tiêu chuẩn,

γ0 - Hệ số độ tin cậy của áp lực chân không p0 = 0,00025 Mpa, γ0 = 1,2

- Trọng lượng thân bể và các lớp cách nhiệt quanh thân bể nằm trên mức khảo sát

- Tính toán thân bể theo điều kiện ổn định.

+ Khi 10 < L / r < 20 thì nội suy

- Tải trọng gió tác dụng xung quanh bể, coi như phân bố đều và được quy đổi thành áp

lực chân không quy ước Pgio

k W

r E

σ

( )n t r P

γσ

σσ

2

2 1 1

( 0)2

3

P P r an r

EI

gio c

- Mái bể được tính với 2 tổ hợp tải trọng: Tổ hợp tải trọng hướng xuống dưới và tổ hợp

tải trọng hướng lên trên

- Với loại mái nón ghép từ các tấm, các dầm hướng tâm ( sườn chịu lực của các tấm

được tính như các dầm đơn giản kê lên thành bể và cột trung tâm, có diện tích chịu tảitam giác hoặc hình thang Dầm ngang của các tấm cũng tính như dầm đơn giản tựalên các dầm hướng tâm

- Loại mái nón không có cột trung tâm, sườn hướng tâm của các tấm tính như dầm gãy

hai đầu tựa lên thành bể, sơ đồ tính là hệ siêu tĩnh với một ẩn số là lực xô ngang H =

P2 do các trang thiết bị trên mái

- Trong kết cấu mái treo ngoài hiệu ứng ở vùng chu vi ngoài và khu trung tâm, mặt mái

làm việc như vỏ mỏng phi moment Dưới tác dụng của tải trọng phân bố đều thẳngđứng p, phương mặt trung bình của mái có dạng :

3 3

r – bán kính mái, tính đến mép trong của vành biên

h – độ cao giữa mái

p – tải trọng trên đơn vị diện tích mặt bằng do Gm, Gcn và Po

- Lực kéo theo phương kinh tuyến ở biên dưới của mái :

- Lực dọc trục lên cột trung tâm :A=πr p2 (4.41)

- Đối với các loại mái nón (mái cứng) thì

- Tổ hợp tải trọng hướng lên trên bao gồm:

- Trọng lượng kết cấu mái.

- Áp lực dư trong không gian hơi.

- Gió hút.

- Mái nón có cột trung tâm, tính như dầm đơn giản, chịu tải tam giác hoặc hình thang.

- Mái nón không có cột trung tâm, tính như dầm gẫy khúc, có lực xô ngang tại gối tựa,

chịu tải tam giác, hình thang, lực tập trung

- Mái cầu tính như cupôn sườn, với diện tích thanh căng At bằng:

Av - Diện tích vành biên;

n - Số lượng sườn theo phương bán kính

Mái treo làm việc như vỏ mỏng phi mô men Dưới tác dụng của tải trọng phân bố đều

thẳng đứng p, phương trình của mặt mái có dạng:

r - Bán kính mái, tính đến mép trong vành biên

h - Độ cao giữa mái

p - Tải trọng trên đơn vị diện tích mái

mái tại điểm bất kỳ Lực kéo theo phương kinh tuyến tại tọa độ x là:

x p

h y

(h rtgϕ)

x

pr

N x = − 3

 Lực dọc tác dụng lên cột trung tâm:

p r

F =π 2

 Kích thước tối ưu của bể chứa.

bể xác định, nếu bể dài, đường kính nhỏ, thì trọng lượng bể sẽ lớn; nếu bể ngắn,đường kính lớn, thì trọng lượng bể cũng lớn Vậy, có một chiều dài bể H, đường kính

bể D để trọng lượng thép làm bể là nhỏ nhất

∆+

=

4

2

D DHt

H

V D

H

D V

V H

V Ht

π

ππ

44

nhất:

tu H t

V H

t

V t

V Vt

V H

H

V t

H

V H

V H

V t

H

V H

V t dH dW

2 2

2 2 3

4

2 2 2 2

π

ππ

π

ππ

π

3 6

2 2 2

3

2

22

:44

V

t

V V H

V

D tu

ππ

πππ

f H

γγ

γ

1

∆

=

IV BỂ CHỨA ĐẶC BIỆT

I Các biện pháp giảm sự mất mát sản phẩm dầu mỏ trong bể chứa.

+ Chứa sản phẩm dầu mỏ dưới áp lực cao

+ Loại bỏ không gian hơi

+ Giảm biên độ dao động nhiệt

II Bể chứa trụ đứng mái trụ cầu.

1 Cấu tạo.

+ Mái: Trong 1 dải dùng hàn đối đầu, giữa các dải mái dùng đường hàn góc

2 Đặc điểm tính toán.

 Tính mái trụ cầu theo lý thuyết phi mô men.

- Phần giữa mái bán kính cong r1 có dạng gần mặt cầu, theo công thức vỏ mỏng trònxoay:

m

d t

r p

2

1 2 2

1

γσσ

- Theo phương đường sinh, yếu nhất là đường hàn đối đầu:

c wt m

t

r p

γ

γσ

2

1 2 1

- Theo phương vòng, yếu nhất là đường hàn góc:

m m

v

h

t h

t h N

t t

N

σσ

τ

σσ

11

τ = ≤

- Do cường độ đường hàn góc luôn nhỏ hơn đường hàn đối đầu nên chỉ cần tuân thủ

điều kiện sau, tức:

1 2

t

r p

βγ

γσ

r

c th c m

tm - Chiều dày mái

- Phần nối thân có bán kính 0,1r1 tính theo lý thuyết vỏ mỏng tròn xoay với các bánkính cong theo phương đường sinh ρ và bán kính theo phương vòng r:

- Theo phương đường sinh kiểm tra với đường hàn đối đầu:

c wt m

t

p

γργ

2

2 1

- Theo phương vòng kiểm tra với đường hàn góc:

1

ρσ

σ

τ = =  − ≤

dâng cao lên khỏi mặt đất, vì thế phải bố trí bu lông neo Lực nhổ tác dụng vào 1 bu lông Z phải nhỏ hơn lực neo G:

n

Q r

p

Q - Trọng lượng mái, thân bể và một phần viền quanh đáy (0,5 ~ 1m)

γ3 - Hệ số độ tin cậy của trọng lượng bể, có lợi nên γ3 = 0,9

n - Số lượng bu lông

γ4 - Hệ số độ tin cậy của trọng lượng đất, γ4 = 0,4

γd – Trọng lượng riêng đất lèn chặt

Ab - Diện tích tấm bê tông neo

h - Chiều sâu chôn tấm bê tông neo

a - Bán kính tấm bê tông neo (hình tròn) hoặc một nửa cạnh của tấm

φ - Góc nội ma sát của đất nền

 Tính bulông neo bể

- Khi trong bể ít chất lỏng ( chiều cao cột nước khoảng 300 mm), dưới tác dụng của áp

lực dư lớn, phần xung quanh đáy có thể bị uốn, nâng lên cùng thân bể, vì vậy phíadưới bể cần bố trí các bu lông neo quanh chu vi thân Lực nhổ tác dụng vào mộtbulông:

- Từ lực Z tính được diện tích bu lông, kích thước tấm bu lông neo và chiều dày lớp đất

nền Lực neo của bu lông vào đất nền tính bằng công thức :

Ab – diện tích tấm bulông neo

h – chiều sâu chôn tấm bêtông neo

a – bán kính tấm bu lông neo (hình tròn) hoặc nửa cạnh của tấm

φ – góc ma sát trong của đất

Yêu cầu : Z ≤ G

BỂ CHỨA TRỤ NGANG.

- Chứa sản phẩm dầu mỏ áp lực dư pd ≤ 0,2 MPa, hơi hóa lỏng pd ≤ 1,8 MPa, áp lực

- Thể tích V ≤ 100m3 (Sản phẩm dầu), V ≤ 300m3 (Hơi hóa lỏng)

,0

8,007

,0

V D

MPa p

V D

MPa p

tu d

tu d

- Tốn chi phí xây dựng gối tựa.

 Các bộ phận của bể: Thân, đáy, gối tựa.

- Chiều dày tấm thân bể t = 3 ~ 36mm.

- Các khoang thân bể dùng đường hàn đối đầu, chiều rộng khoang bằng thép tấm định

hình

- Khi r / t > 200 phải đặt vành thép góc hàn gia cường thân bể.

- Phải đặt vành cứng tại gối tựa.

- Hình dạng đáy bể: Phẳng, nón, trụ, cầu, elip.

thanh đứng Góc mở gối tựa từ 60 ~ 120 độ

2 Tính toán.

 Xác định vị trí gối tựa.

xác định sao cho mô men uốn ở gối và nhịp bằng nhau

2 2

q M

qc

c - Độ nhô của côn sơn;

q - Tải trọng tác dụng lên dầm quy đổi;

π

=

Giải ra được L0 = 0,586L

 Kiểm tra bền thân bể.

c

fγσσ

σ = + " ≤

1

' 1 1

γc =0,8 Hệ số điều kiện làm việc

t r

c L r L

G W

2

2 2 2 1 '

1

28π

πγγ

rt

r p

22

1 2

1 2

2

"

1

γγ

γπ

γγγ

t

r r p

γγ

γγ

2

f c

td σ σ σ σ fγ ηϕ

σ = + 2 − 1 2 ≤

2

2 1

η - Hệ số kể đến đặc tính dễ cháy và dễ nổ của sản phẩm η = 0,9

γc =0,8 Hệ số điều kiện làm việc

0,1

=

=

f

f wt f

ϕ

 Kiểm tra ổn định thân bể.

r p t

r p

th th

0 0 2 0 0 1

2

2 1 1

;2

1γσ

γσσ

σσ

σ

=

=

≤+

σth1, σth2 xác định như bể trụ đứng

 Tính đáy phẳng: Áp lực dư gây kéo trong đáy và nén trong vành

gối Ứng suất kéo tại trọng tâm đáy là:

d d

42

13

d

I

y A EA

d Et

d p

d

dd - Đường kính đáy

Av - Diện tích thép góc vành đáy

x0, y0 - Tọa độ mặt ngoài thép góc vành với trục x, y là các trục tọa độ qua trọng tâm thép góc vành

thức:

β

γσ

cos2

2 1

d

d t

r p

=

β

γσ

cos

2 2

d

d t

r p

=

r - Bán kính bể

β - Góc của đường sinh với trục ngang của bể

Kiểm tra ổn định của đáy nón do tác dụng của áp lực chân không và lực dọc theo phương đường sinh theo công thức:

c th th N

σ

σ ≤+

2 2

N - Lực nén dọc trục bể do áp lực chân không tác dụng vào đáy bể gây nên

0 0

2 1

;N r p N

N ≤γc th =π γ

Nth - Lực nén tới hạn dọc trục

' 1

0 1 '

2 1 '

cos

1,09,0

cos2

r CEt

r r r

t r N

th

th d th

π

r1, r0 - Bán kính đáy và đỉnh nón, r1 = r

σ2 - Ứng suất vòng do áp lực p0

2 3

'

' 2

' 0 0 2

55,

r E

t

r p

d th

d

σ

γσ

r p

2

2 2

γ

σ =

rc - Đường kính đáy cầu (thường rc = 2r; r - bán kính thân)

công thức:

c c

d c th c d

r

Et t

r p

γγ

σγ

γ

2

0 0

chịu tác dụng của lực trượt T từ vỏ truyền lên và phản lực gối tựa

 Mô men trong vành gối bằng biểu đồ mô men có sẵn nhân với:

(γ γcl Lπr2 +γbt G)πr1

+ Tấm thép cong hai chiều cán nguội hoặc dập nóng

+ Chiều dày tấm nhỏ hơn hoặc bằng 36mm

+ Các tấm dùng hàn đối đầu

+ Gối tựa dạng vành hoặc thanh chống

π

γ π γ

γ cl L r2 + bt G

1

2 Tính toán.

 Thân bể theo điều kiện bền.

φ - Góc xác định tại mức điểm khảo sát

c cl

t

r r p

γϕ

γγγ

σσ

2

cos1

1 2

2 1

n c wt

cl d

f

r r p

t

γγ

ϕγ

γγ

2

cos1

1

=

γc =0,7 Hệ số điều kiện làm việc

γn =0,9 Hệ số độ tin cậy đối với tính dễ cháy nổ của vật liệu

tthực = ttính toán + 2mm

φ - Góc xác định tại mức điểm khảo sát

 Tính toán thân bể theo điều kiện ổn định.

r / t ≤ 750, thì:

c c

d c th c d

r

Et t

r p

γγ

σγ

γ

2

0 0

Tính thanh đứng gối bể.

bị, nước đầy bể và gió Khi kể đến sự nén lún của một trong số các thanh đứng khi nền lún không đều, nội lực trong một thanh sẽ tăng lên n / (n-1) lần (n là số lượng thanh đứng) Khi đó, nội lực nén trong một thanh là:

cW V

t r n

n

cos1

2 0 1

πα

γbt , γ1 , γg - Hệ số độ tin cậy của trọng lượng bể, trọng lượng chất lỏng và gió